高溫合金GH4169銑削加工的有限元模擬與銑削力試驗(yàn)分析＊

劉建強(qiáng)，趙慧凱，馮侖侖，李 鋒

（西安航空學(xué)院 航空工程系，西安710077）

高溫合金按基體類型可分為鎳基、鐵基和鈷基高溫合金，其中鎳基高溫合金應(yīng)用最為廣泛．高溫合金GH4169是一種高硬度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫的鎳基合金材料，等同于美國(guó)材料牌號(hào)Inconel 718［1］．GH4169在600～1 000℃以上仍然具有良好的熱穩(wěn)定性和斷裂韌性、較高的抗氧化和抗腐蝕性，能承受較大的應(yīng)力，所以廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)制造中．但是，在機(jī)械加工中，鎳和鉻元素使切屑不易斷裂，刀具散熱不暢，所以高溫合金GH4169是一種典型的難加工材料，其切削力大、切削溫度高、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具磨損劇烈、加工精度和表面質(zhì)量不易保證，研究其加工性能，為加工工藝的改進(jìn)和加工效率的提高提供可靠依據(jù)成為非常迫切的要求．

文獻(xiàn)［2-3］對(duì)采用硬質(zhì)合金刀具銑削Inconel 718時(shí)的切削力和表面粗糙度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在11～25m·min-1的切削速度范圍內(nèi)，切削力都呈下降趨勢(shì)，且都隨著進(jìn)給量和切削深度的增加而增大．文獻(xiàn)［4］研究了采用球頭銑刀高速銑削Inconel 718，得到了銑削參數(shù)、刀具涂層、刀具與工件的夾角等對(duì)銑削力、切屑形式、銑削溫度的影響規(guī)律．文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了銑削力測(cè)量試驗(yàn)，研究了切削用量、冷卻措施等因素對(duì)高溫合金GH4169銑削力的影響，通過(guò)銑削試驗(yàn)分析，得到了切削參數(shù)與銑削力的變化曲線，提供了合理的切削參數(shù)．文獻(xiàn)［6］通過(guò)正交試驗(yàn)，對(duì)硬質(zhì)合金刀具銑削K24鎳基高溫合金的銑削力、刀具磨損和表面加工質(zhì)量等進(jìn)行了研究，得到了銑削力的經(jīng)驗(yàn)公式．鑒于采用軟件Deform 3D對(duì)高溫合金GH4169銑削力進(jìn)行有限元仿真的相關(guān)研究并不多見(jiàn)，文中以有限元軟件Deform 3D為平臺(tái)，對(duì)高溫合金GH4169的切削過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，通過(guò)改變單因素銑削參數(shù)，研究GH4169銑削過(guò)程中，銑削速度、每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度對(duì)銑削力的影響規(guī)律，以期保證加工精度和表面質(zhì)量．

1 有限元模型的建立

Deform 3D是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，它將建模、成型分析、傳熱分析和設(shè)備特性集成在一個(gè)環(huán)境內(nèi)，適用于金屬熱、冷、溫成形工藝和熱處理工藝等的仿真［7-9］．本文采用Deform 3D建立銑削過(guò)程有限元模型，Deform 3D處理的對(duì)象是三維實(shí)體，需要由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）系統(tǒng)以3D模型文件格式（Stereo Lithograthy，STL）導(dǎo)入，具體過(guò)程如下．

1．1 工件材料物理性能

GH4169是典型的鎳基高溫合金，其物理性能見(jiàn)表1．

1．2 幾何模型的建立

文中采用SANDVIK公司Coromill 300銑刀，如圖1所示．為了便于研究銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響，文中將刀具簡(jiǎn)化為單刀片模型，將立銑過(guò)程近似為正交切削過(guò)程，將銑刀與工件的斷續(xù)接觸簡(jiǎn)化為銑刀以最大銑削力與工件持續(xù)接觸．使用軟件Solidworks構(gòu)造刀具和工件三維模型，進(jìn)入Deform 3D的“Machining［Cutting］”模塊，導(dǎo)入預(yù)先構(gòu)造的銑削模型．

在Deform 3D軟件中，常用到的網(wǎng)格有八節(jié)點(diǎn)六面體單元和四面體常應(yīng)變單元，后者具有簡(jiǎn)單、邊界適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)［10］，因此本文采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格．工件材料為Inconel 718，采用絕對(duì)網(wǎng)格劃分方式，最小網(wǎng)格尺寸為0．1mm，比率為4；刀具材料為 WC類硬質(zhì)合金，采用普通網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格數(shù)量為8 000，局部細(xì)化刀尖網(wǎng)格，比率為0．1．劃分好單元格的幾何模型如圖2所示．

表1 GH4169的物理性能Tab．1 Physical and chemical properties of GH4169

圖1 試驗(yàn)刀具Fig．1 Test tool

圖2 劃分網(wǎng)格后的銑削幾何模型圖Fig．2 Milling geometry model after meshing

1．3 材料模型的建立

彈性模量E和泊松比是工件材料處于彈性變形階段的特征參數(shù)．進(jìn)入塑性變形階段后，材料特性的變化依據(jù)流動(dòng)應(yīng)力模型進(jìn)行分析．本文采用國(guó)際上廣為引用的Johnson-Cook流動(dòng)應(yīng)力模型，形式簡(jiǎn)單，適應(yīng)于描述大變形率下金屬的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，其表達(dá)式為

式中：σ為工件材料的流動(dòng)應(yīng)力；ε為工件材料的塑性應(yīng)變；A、B、n、C、m表示由材料自身決定的系數(shù)，依次為屈服應(yīng)力強(qiáng)度、應(yīng)變強(qiáng)化常數(shù)、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)、應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)及溫度應(yīng)變率靈敏度；T為變形溫度；Tm為材料的熔點(diǎn)；Tr為室溫；ε0為參考應(yīng)變速率．

2 銑削仿真與分析

2．1 仿真初始條件設(shè)置

本文仿真初始條件設(shè)置在Deform 3D前處理器中完成，各參數(shù)見(jiàn)表2．

2．2 銑削參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用適當(dāng)?shù)恼粚?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排銑削實(shí)驗(yàn)，是解決銑削問(wèn)題的有效工具之一，可以大大減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)并找到最佳銑削參數(shù)．選取銑削力作為仿真實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，選取銑削速度vc、每齒進(jìn)給量fz、軸向銑削深度ap、徑向銑削寬度ae作為實(shí)驗(yàn)的4個(gè)因素，選取3水平來(lái)安排正交實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表3．

2．3 銑削過(guò)程仿真

按照表3安排的因素水平，選用L9（34）正交表進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表4．

表2 仿真初始條件設(shè)置Tab．2 The simulation initial condition settings

表3 因素水平表Tab．3 Factor levels table

表4 銑削力仿真實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果Tab．4 Milling forces simulation test table and the results

立銑過(guò)程中，銑刀與工件表面斷續(xù)接觸，銑削力發(fā)生周期性變化．在一個(gè)周期內(nèi)，單齒瞬時(shí)銑削力先由零逐步增大，至最大后又逐步減小為零．為了便于研究銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響，本文將銑刀與工件的斷續(xù)接觸簡(jiǎn)化為銑刀以最大銑削力與工件持續(xù)接觸．由于x、y、z方向的銑削力Fx、Fy、Fz中，F(xiàn)z小于Fx和Fy，且Fz容易受刀具和機(jī)床等因素影響而出現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化，故本文只對(duì)Fx和Fy進(jìn)行了研究．銑削仿真過(guò)程如圖3～4所示．

圖3 銑削過(guò)程仿真Fig．3 The simulation of milling process

圖4中Fx為X向銑削力，F(xiàn)y為Y向銑削力．Step為進(jìn)給位移．由圖4可知，隨著刀具逐漸切入工件，材料的塑性變形不斷增大，切削力也不斷增大；當(dāng)?shù)度懈浇饘偌魬?yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)，材料就被剝離，切削力突然減?。谇邢髦写诉^(guò)程不斷重復(fù)，因而切削力會(huì)產(chǎn)生振蕩．

為了更好的反應(yīng)切削力真實(shí)大小，本文用Deform 3D軟件數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能計(jì)算出每次切削力平均值作為該組實(shí)驗(yàn)的銑削力，見(jiàn)表4．

圖4 vc＝30m·min-1、fz＝0．08mm、ap＝0．8mm、ae＝1mm時(shí)銑削力曲線Fig．4 The simulation curve of milling force when vc＝30m·min-1，fz＝0．08mm，ap＝0．8mm and ae＝1mm

3 銑削試驗(yàn)與分析

按照表4安排的4因素3水平方案進(jìn)行試驗(yàn)，共9組．

3．1 試驗(yàn)條件

1）工件為GH4169高溫合金，長(zhǎng)方體，幾何尺寸為100mm×40mm×30mm．

2）刀具選用SANDVIK公司Coromill 300銑刀，刀體直徑?52mm，4刃．刀片選用SANDVIK Coromill 300TiAlN涂層硬質(zhì)合金銑刀片，鑲2片，如圖1所示．

3）設(shè)備采用寶雞機(jī)床廠VMC650三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床，最大轉(zhuǎn)速6 000r·min-1，功率7 kW，如圖5所示．

銑削力測(cè)量系統(tǒng)由Kistler9255B測(cè)力儀、Kistler5019B電荷放大器以及DEWE3010數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成．

4）冷卻方式采用乳化液冷卻．

圖5 試驗(yàn)機(jī)床Fig．5 Test lathe

3．2 銑削力仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比分析

表5為銑削力仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表．從表5可以看出，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果誤差基本在16%以內(nèi)．由于金屬銑削加工是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，除了銑削速度、銑削深度、銑削寬度、每齒進(jìn)給量以外，影響銑削力的因素還有很多，如工件的物理機(jī)械性能、銑削面積、材料熱處理狀態(tài)、刀具磨損、切削液等，再考慮到數(shù)據(jù)讀取誤差會(huì)導(dǎo)致個(gè)別差值較大，就整體分布情況而言，仿真值和試驗(yàn)值比較吻合，說(shuō)明利用仿真方法進(jìn)行銑削力預(yù)測(cè)比較可靠．

表5 仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比表Tab．5 The comparison table of the simulated values and the measured values

4 銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響分析

為更好地反應(yīng)各個(gè)銑削參數(shù)對(duì)銑削力影響的趨勢(shì)，本文采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，將每組仿真實(shí)驗(yàn)里三個(gè)銑削參數(shù)固定，隨著第四個(gè)銑削參數(shù)的不同，得到不同的銑削力．具體設(shè)定見(jiàn)表6．

圖6所示為由單因素仿真得到的不同銑削參數(shù)對(duì)應(yīng)的銑削力曲線．從圖6中可以看出，對(duì)高溫合金GH4169端銑的x、y向銑削力影響最大的均是銑削深度，其次是進(jìn)給量和銑削寬度，影響最小的是銑削速度，并且隨著銑削速度的提高，銑削力呈下降趨勢(shì)．

圖6 不同銑削參數(shù)對(duì)應(yīng)的銑削力曲線Fig．6 Milling force curve corresponding to different milling parameters

表6 單因素仿真實(shí)驗(yàn)安排表Tab．6 Single factor simulation test schedule

5 結(jié) 論

針對(duì)高溫合金GH4169端銑過(guò)程，利用Deform 3D有限元軟件進(jìn)行仿真，并結(jié)合銑削試驗(yàn)，研究銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律．在文中的仿真條件下，得到的主要結(jié)論為

1）端銑高溫合金GH4169時(shí)仿真值與試驗(yàn)值基本吻合，為其他材料的銑削仿真提供了新的建模方法．

2）通過(guò)單因素仿真實(shí)驗(yàn)，得到了不同銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律，即在切削用量三要素中，對(duì)銑削力影響最大的是銑削深度，其次是進(jìn)給量和銑削寬度，影響最小的是銑削速度，且隨著銑削速度的提高，銑削力呈下降趨勢(shì)．

3）為了提高銑削效率，銑削高溫合金GH4169時(shí)，應(yīng)選擇較高的銑削速度、較小的銑削深度和進(jìn)給量．

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